Modellazione energetica di motori sincroni di tipo brushless per applicazioni industriali

This work focuses on energy efficiency of synchronous brushless type motors with permanent magnets This technology is widely used for the generation of motion of organs and sub-assemblies of industrial machinery, such as machine tool spindles and robot joints. By the term brushless motor, reference is not only made to the motor itself, but to the sub-system, it consists of a power, inverter, and it controls the motor. The objective is therefore to provide characterizations of the energy consumption of such electrical motor, estimating the power losses given the control strategy of the electrical motor and operating conditions and existing operational constraints. A first physics-based modeling divides the motor’s power consumption in mechanical losses related to friction, copper losses by Joule effect, and constant energy consumption based on the absence of weakening. The significance of the terms identified were also evaluated. In particular it was verified that the contribution of constant power dissipation is associated with the PWM, operating a spectral analysis of the power by which it was possible to identify different contributions dissipative at high frequencies. A second modeling instead considers the mechanical losses and the copper losses in the presence of a logic control of the motor in the field weakening. The identification and validation was performed on brushless motors for spindle applications. It was installed on two work centers CNC: COMAU Smart Drive and JOBS LinX. A further model considers, the estimation of a possible contribution due to the dissipative losses in the iron, by means of electrical analogy, to a voltage drop on a dummy resistor. These models can therefore be used and integrated within energy representations of more complex machinery which are used for synchronous motors with permanent magnets.

Il presente lavoro si focalizza sull’efficienza energetica di motori sincroni di tipo brushless a magneti permanenti, tecnologia largamente impiegata per la generazione di moto di organi e sotto-assiemi di macchinari industriali, quali mandrini di macchine utensili e giunti di robot antropomorfi. Con il termine motore brushless si fa riferimento non solo al motore in se, ma al sotto-sistema composto da alimentatore, inverter, controllo ed il motore stesso. L’obiettivo è dunque fornire delle caratterizzazioni energetiche dei consumi di tali motori, volte a stimare le perdite di potenza date la strategia di controllo del motore e condizioni e vincoli operativi esistenti. Una prima modellazione physics-based suddivide il consumo energetico del motore in perdite meccaniche legate agli attriti, perdite nel rame per effetto Joule, e assorbimento basale costante in assenza di deflussaggio. E’ stato poi valutato il significato dei termini individuati. In particolare si è verificato che il contributo di potenza costante è associato alle dissipazione del PWM operando un’analisi spettrale della potenza mediante la quale è stato possibile individuare diversi contributi dissipativi alle alte frequenze. Una seconda modellazione invece considera le perdite meccaniche e le perdite nel rame in presenza di una logica di controllo del motore in deflussaggio. L’identificazione e la validazione è stata eseguita su motori brushless per applicazioni mandrino, installati su due centri di lavoro a controllo numerico: COMAU Smart Drive e JOBS LinX. Un’ulteriore modello considera, anche la stima di un possibile contributo dissipativo dovuto alle perdite nel ferro riferendolo, mediante analogia elettrica, ad una caduta di tensione su una resistenza fittizia. I presenti modelli possono essere dunque utilizzati ed integrati all’interno di rappresentazioni energetiche di macchinari più complessi al cui interno vengono utilizzati motori sincroni a magneti permanenti.